機械結構形態(tài)知識融合

徐賜軍，李煒龍,2，黃松林

(1.湖北理工學院 機電工程學院，湖北 黃石 435003；2.武漢科技大學 機械自動化學院，湖北 武漢 430081)

0 引言

機械結構形態(tài)是機械結構三維模型的特征簡化方法，主要采用線、面的幾何元素描述機械結構的形狀、功能和拓撲關系。機械結構形態(tài)由基本體形態(tài)組成，但基本體形態(tài)在基本體幾何特征簡化過程中僅保留其抽象結構，若依據(jù)機械結構三維模型布爾運算關系構建機械結構形態(tài)三維模型模型，則部分基本體形態(tài)會存在相對孤立或信息不全的問題[1]。因此，在基本體形態(tài)組合成機械結構形態(tài)過程中，必須利用基本體形態(tài)知識特點對其進行有機融合。

知識融合是將多源知識進行轉換、集成和合并處理后獲得新知識，目前知識融合主要針對大數(shù)據(jù)背景下的知識源進行融合算法的相關技術研究。Fan等[2]分析了知識融合的內(nèi)涵及其實現(xiàn)模式，研究了面向知識服務要求的一維和二維知識融合過程模型；Smirnov等[3]研究了情景感知決策支持系統(tǒng)的知識融合過程，提出基于情景的知識融合模式；Akhlaghi等[4]針對分布式網(wǎng)絡的知識提出基于統(tǒng)計方法的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡知識融合方法；Kriegel等[5]針對安全報警決策支持系統(tǒng)設計了可獨立應用的知識融合工具包；Fisch等[6]采用多項式分布和多變量正態(tài)分布的概率分類器在分類規(guī)則參數(shù)層面提出數(shù)據(jù)挖掘應用中的新融合分類方法；周芳等[7]針對多源知識討論了基于Bayes準則、基于D-S證據(jù)理論和基于模糊集理論輪的知識融合算法；徐賜軍等提出包含知識融合算法及融合知識后處理等功能模塊的知識融合框架[8]，分析了融合知識測度指標在知識融合應用中的作用[9]。

許多學者針對知識融合在各專業(yè)領域(如機械設計、制造等)中的應用進行了大量研究。Liu等[10]針對云制造環(huán)境下集團公司分布式異構知識源提出支持知識融合和服務的知識組織與表達模型，提高了知識源的利用效率和知識服務質(zhì)量；Ringsquandl等[11]針對制造系統(tǒng)的監(jiān)控適應性和控制不斷變化的環(huán)境因素問題，根據(jù)現(xiàn)有制造知識圖譜和運行數(shù)據(jù)提出語義同步的表征學習模型，實現(xiàn)了制造運行數(shù)據(jù)的知識融合；劉驕劍等[12]通過分析擴散制造工藝設計知識內(nèi)涵提出一種基于知識融合的定型工藝調(diào)整方法；朱玉屏等[13]針對機械產(chǎn)品設計中的知識融合問題提出基于模糊證據(jù)理論的融合推理方法，并建立了基于本體的產(chǎn)品設計知識模型；宮琳等[14]通過定義產(chǎn)品、功能、結構的過程模型和知識模型，提出將設計過程和設計知識融合的產(chǎn)品概念設計方法。除了設計知識、制造信息等融合外，有學者利用三維CAD軟件知識融合模塊和二次開發(fā)功能實現(xiàn)知識驅動的建模技術。Fabio等[15]應用NX CAD軟件的知識融合模塊實現(xiàn)了自動噴涂缺陷檢測通道的自動化設計；劉忠途等[16]結合三維CAD系統(tǒng)將工程問題和任務分解為知識項，再分解到知識約束，構建了設計知識融合驅動的知識約束模型；陳珂等[17]利用CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)功能開發(fā)，基于知識融合的有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)建模技術，構建了基于知識融合的FEA自動化任務分析機制。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，知識融合研究尚未構建通用性很強的統(tǒng)一框架融合技術，無法直接借鑒現(xiàn)有知識融合規(guī)則解決機械結構形態(tài)三維建模過程中基本體形態(tài)孤立的問題。另一方面，CAD系統(tǒng)的知識融合主要側重設計知識的融入，對三維建模過程中孤立性特征知識的融合有待進一步研究。

機械結構形態(tài)三維模型構建及其知識存儲主要服務于機械結構三維模型的自動檢索。在當前的三維模型檢索算法研究中，每次檢索均要重新計算模型庫中的模型輪廓、拓撲結構、特征屬性等相關信息，大大降低了檢索效率。另一方面，機械設計不再僅為機械設計專業(yè)人員的工作，還有大量非機械專業(yè)設計人員參與其中，非機械專業(yè)人員雖然因缺乏機械專業(yè)知識而很難設計出合理的機械，但是其對滿足其功能設計要求的機械往往有一個大概的設計形態(tài)意識。不同領域的機械設計人員通過功能分析進行機械結構形態(tài)設計，檢索與其形態(tài)相似的CAD模型即可完善該結構形態(tài)的結構設計。因此，應用機械結構形態(tài)知識不但有利于避免三維模型檢索過程中重復處理原CAD模型信息，而且拓寬了不同領域機械設計人員的交流，提高了三維模型的重用率。因此，本文針對機械結構形態(tài)三維建模過程中存在特征孤立的問題，對機械結構形態(tài)的知識表示及其融合規(guī)則進行研究。

1 機械結構形態(tài)知識

1.1 基于本體的機械結構形態(tài)知識轉換

構建機械結構形態(tài)首先要采用基本體轉換模型對不同建模方法完成的基本體進行模型統(tǒng)一表達，然后根據(jù)基本體轉換模型的尺寸關系等形態(tài)提取規(guī)則獲取基本體形態(tài)[18]。機械結構形態(tài)與機械結構三維模型之間的知識轉換過程如圖1所示。機械結構形態(tài)知識轉換以機械結構形態(tài)領域本體為基礎，本文采用巴斯科范式(Backus Normal Form，BNF)本體描述結構構建該領域的概念庫、關系庫、屬性庫、規(guī)則庫，并規(guī)范機械結構在不同三維軟件建模過程中的術語[8]。

圖1顯示，若已知機械結構三維模型，則將其分解成若干基本體三維模型，然后通過解析基本體特征獲得基本體轉換模型知識，并通過該轉換模型的基面選取、形態(tài)提取等構建規(guī)則獲取機械結構形態(tài)元知識，最后通過該元知識之間的融合規(guī)則形成機械結構形態(tài)知識。若已知機械結構形態(tài)知識，則通過該形態(tài)知識表示規(guī)則搜索相關的機械結構形態(tài)元知識，由知識推理獲得相應的基本體轉換模型知識，然后根據(jù)轉換模型的建模要素直接構建相應的基本體三維模型，并根據(jù)機械結構形態(tài)的布爾運算規(guī)則構建機械結構三維模型?；倔w三維模型與機械結構三維模型的知識表示及其分解規(guī)則、運算規(guī)則等均采用三維建模軟件的內(nèi)部表示結構。若機械結構三維模型及機械結構形態(tài)的模型庫均已構建，則直接通過基于機械結構形態(tài)的三維模型檢索算法及其模型映射關系獲得設計人員需要的機械結構三維模型。針對圖1所示的機械結構形態(tài)知識轉換關系，本文重點研究由機械結構形態(tài)元知識轉換成機械結構形態(tài)知識的知識融合規(guī)則。

1.2 基本體轉換模型知識表示

根據(jù)基本體的不同特征，三維建模所采用的方法也不同，如柱體采用拉伸、圓錐采用旋轉等，因此上述建模方法很難用現(xiàn)成的模型統(tǒng)一表達。本文將各基本體模型統(tǒng)一采用基本體轉換模型來表達，即將所有基本體均采用轉換或擬合的方法統(tǒng)一成掃掠方式的表達模型。該模型包括掃掠基面、掃掠導線和輪廓約束線三要素，如圖2a所示的棱柱基本體轉換模型三要素分別為掃掠基面面G1、掃掠導線ab和輪廓約束線cd。

因此，本文將基本體轉換模型知識表示為

P(ID,FT,Fi,Ti,Ci)。

其中：ID為基本體的編號，是基本體在機械結構中的唯一標識符，并按建模過程的順序編號；FT為基本體的建模屬性，若機械機構三維建模過程中的基本體為增材基本體則FT=1，若基本體為減材基本體則FT=-1；Fi,Ti,Ci為基本體轉換模型的三要素，分別表示第i基本體采用掃掠建模時的掃掠基面、掃掠導線和輪廓約束線，若基面在沿掃掠導線運動過程中無縮放且繞導線無旋轉，則Ci可為空。減材基本體、增材基本體分別指機械結構建模過程中以移除材料和添加材料方式完成建模的基本體。

1.3 機械結構形態(tài)元知識表示

元知識的概念尚未有統(tǒng)一的形式化定義，一般理解為“關于知識的知識”，即專門用來顯性地描述知識庫中知識元素特征的知識元素實體[19]。機械結構三維模型可以分解成若干基本體，根據(jù)其對應的拓撲關系，機械結構形態(tài)也由若干基本體形態(tài)組成，因此機械結構形態(tài)元知識由基本體形態(tài)屬性知識構成。由圖2b可知，基本體形態(tài)主要根據(jù)基本體轉換模型所確定的選擇規(guī)則提取而成[18]。因此，基于基本體轉換模型知識表示的方法，機械結構形態(tài)元知識表示定義為

M(ID,FE,{Fi,Ti,Li,Si})。

其中：ID為基本體形態(tài)的編號；FE為基本體形態(tài)的類型，基本體形態(tài)為實線線形態(tài)、實線輪廓面形態(tài)和虛線線形態(tài)、虛線輪廓面形態(tài)時，該參數(shù)分別為1，2，-1，-2，而0表示融合形態(tài)；Fi，Ti分別表示第i基本體采用掃掠建模時的掃掠基面和掃掠導線；Li表示基面的最長邊；Si表示最長邊沿掃掠導線在輪廓約束線條件下形成的掃掠面；{Fi,Ti,Li,Si}表示第i基本體的形態(tài)為Fi,Ti,Li,Si中的一種。ID若為獨立編號，則該序號與基本體編號對應；若為組合編號，則表示融合形態(tài)的兩個基本體形態(tài)編號的組合。例如，ID編號為i表示第i個基本體的形態(tài)編號，ID編號為i∧j表示第i個基本體與第j個基本體的關聯(lián)融合形態(tài)編號。減材基本體、增材基本體的形態(tài)輪廓分別用虛線和實線表示。

1.4 機械結構形態(tài)知識表示

機械結構形態(tài)主要體現(xiàn)結構的功能設計，反映結構基本體的空間幾何關系，且與原始結構保持相同的拓撲關系，減少了原始結構圖的冗余信息。機械結構形態(tài)是由基本體形態(tài)通過各種融合規(guī)則有機結合的整體，為了體現(xiàn)機械結構形態(tài)元知識融合的結果，本文將機械結構形態(tài)知識表示為

MSM({M},{∧M},{∨M})。

其中：{M}為基本體形態(tài)融合后未做任何變換的融合形態(tài)集合；{∧M}為基本體形態(tài)融合過程中根據(jù)關聯(lián)規(guī)則形成的關聯(lián)形態(tài)集合；{∨M}為基本體形態(tài)融合過程中根據(jù)吸收規(guī)則對原形態(tài)變換后形成的形態(tài)集合，該形態(tài)編號與原形態(tài)相關。上述形態(tài)集合均采用形態(tài)對應的形態(tài)編號表示。

2 機械結構形態(tài)知識融合規(guī)則

機械結構形態(tài)知識融合規(guī)則的主要作用是根據(jù)機械結構拓撲關系和基本體形態(tài)結構特征，將機械結構形態(tài)元知識有機融合成一個完整的形態(tài)模型。融合規(guī)則主要包括包容規(guī)則、疊加規(guī)則、關聯(lián)規(guī)則和吸收規(guī)則，各融合規(guī)則示例如表1所示。

表1 融合規(guī)則示例

2.1 包容規(guī)則

若減材基本體形態(tài)與增材基本體形態(tài)均為線形態(tài)且前者被后者包容，則融合形態(tài)為增材基本體形態(tài)，包容規(guī)則表示如下：

IF (M(j,-1,{Tj,Lj})∈M(i,1,{Ti,Li}))

THEN (M(i,1,{Ti,Li}))

包容規(guī)則的主要功能是：基本體形態(tài)進行融合運算后，一個基本體的形態(tài)包容在另一個基本體形態(tài)中，融合形態(tài)為其中一個基本體形態(tài)。包容規(guī)則實現(xiàn)的知識轉換過程表示為

M(i,1,{Ti，Li})-M(j,-1,{Tj，Lj})

=MSM(i-j)。

(1)

其中i-j表示第i個基本體形態(tài)包容第j個基本體形態(tài)的融合形態(tài)編號。

根據(jù)包容規(guī)則的表示，融合后的機械結構形態(tài)元知識為

M(i-j,0,{Ti-j，Li-j})=M(i,1,{Ti，Lj})。

(2)

表1示例1的機械結構由兩個基本體通過“差”運算構建而成，且兩個基本體同軸。根據(jù)基本體形態(tài)構建規(guī)則，本示例兩個基本體形態(tài)均為線形態(tài)且重合，因此減材基本體形態(tài)被增材基本體形態(tài)包容，即機械結構形態(tài)為增材基本體形態(tài)，如示例1的機械結構形態(tài)所示。

2.2 疊加規(guī)則

若兩個基本體及其形態(tài)均相交，則其形態(tài)在融合后的機械結構形態(tài)按照原始空間狀態(tài)直接累加，疊加規(guī)則表示如下：

IF(P(j,FT,Fj,Tj,Cj)∩P(i,FT,Fi,Ti,Ci)≠φ&M(j,FE,{Fj,Tj,Lj,Sj})∩M(i,FE,{Fi,Ti,Li,Si})≠φ)

THEN(M(i,FE,{Fi,Ti,Li,Si}),M(j,FE,{Fj,Tj,Lj,Sj}))

疊加規(guī)則的應用范圍是有增材基本體參與的形態(tài)融合。雖然減材基本體形態(tài)相互之間也存在相交的關系，但由于減材基本體的造型要依附于增材基本體，即減材基本體形態(tài)至少與一個增材基本體形態(tài)關聯(lián)，因此，應用疊加規(guī)則時不考慮減材基本體相互之間的形態(tài)融合。

疊加規(guī)則的主要功能是：基本體形態(tài)按照原始空間狀態(tài)直接累加。該規(guī)則實現(xiàn)的知識轉換過程表示如下：

M(i,FE,{Fi,Ti,Li,Si})+M(j,FE,

{Fj,Tj,Lj,Sj})=MSM(i,j)。

(3)

根據(jù)疊加規(guī)則的表示，融合前、后的機械結構形態(tài)元知識表示方式不變。

表1示例2的機械結構由兩個基本體通過“并”運算構建而成，而且兩個基本體同軸。根據(jù)基本體形態(tài)構建規(guī)則，本示例兩個基本體形態(tài)均為線形態(tài)且共線，因此該示例的機械結構形態(tài)直接疊加，如示例2的機械結構形態(tài)所示。

2.3 關聯(lián)規(guī)則

相交的兩個基本體的形態(tài)融合，若兩個增材基本體形態(tài)為線形態(tài)，且線形態(tài)兩端對應的端點所在面相交，則以形態(tài)相應的兩端點為端點構建關聯(lián)線形態(tài)；否則，以兩個基本體形態(tài)的最短距離構建關聯(lián)線形態(tài)，關聯(lián)規(guī)則表示如下：

IF (P(j,FT,Fj,Tj,Cj)∩P(i,FT,Fi,Ti,Ci)≠

φ&M(j,1,{Tj,Lj})∩M(i,1,{Ti,Li})=φ&

F(Ei∈M(i,1{Ti,Li})∩F(Ej∈

M(j,1{Tj,Lj})≠φ)

THEN(M(i∧j,0,EiEj))

若兩個基本體在三維模型構建過程中相交，則其對應的基本體形態(tài)必然關聯(lián)。關聯(lián)規(guī)則的主要功能是：將相互孤立的基本體形態(tài)通過關聯(lián)“線形態(tài)”構建完整的融合形態(tài)。如前所述，減材基本體相互之間也存在相交關系，但是因為減材基本體的造型要依附于增材基本體，所以減材基本體相互之間相交時，其形態(tài)無需關聯(lián)，而且在減材基本體形態(tài)與增材基本體形態(tài)關聯(lián)融合時均以最短距離的方式構建關聯(lián)線形態(tài)。

關聯(lián)規(guī)則實現(xiàn)的知識轉換過程表示如下：

M(i,FE,{Fi,Ti,Li,Si})∧M(j,FE,

{Fj,Tj,Lj,Sj})=MSM(i∧j)。

(4)

其中i∧j表示第i個基本體形態(tài)與第j個基本體形態(tài)關聯(lián)的融合形態(tài)編號。根據(jù)關聯(lián)規(guī)則的表示，融合后的機械結構形態(tài)元知識為

M(i∧j,0,EiEj)

針對表1示例3和示例4所列舉的機械結構，根據(jù)基本體形態(tài)構建規(guī)則可獲得兩個示例基本體的結構形態(tài)，如圖3線段ab和cd所示。由圖3可見，每個示例的基本體形態(tài)均相互孤立，但由其機械結構可知基本體之間是相互關聯(lián)的。為了保證機械結構形態(tài)與機械結構的拓撲關系相同，機械結構形態(tài)必須根據(jù)關聯(lián)規(guī)則將其對應的形態(tài)關聯(lián)。在示例3中，由于基本體1兩端面與基本體2兩端面分別相交，形態(tài)兩端分別產(chǎn)生關聯(lián)形態(tài)，如表1機械結構形態(tài)圖中線段ad和bc所示。示例4所示的兩個基本體僅中間部分相交，因此該示例融合產(chǎn)生的關聯(lián)形態(tài)由最短距離決定，如表1示例4機械結構形態(tài)的線段ef所示。

2.4 吸收規(guī)則

吸收規(guī)則的主要功能是：基本體形態(tài)通過改變形態(tài)類型或取其中一部分形態(tài)構成新的融合形態(tài)。吸收規(guī)則的知識轉換過程表示為

M(i,FE,{Fi,Ti,Li,Si})∨M(j,

FE,{Fj,Tj,Lj,Sj})=MSM(i,j)。

由該轉換過程可知，經(jīng)吸收規(guī)則融合的形態(tài)，其編號與融合前的編號相同，但該編號對應的形態(tài)在融合前的形態(tài)基礎上根據(jù)規(guī)則進行了適當?shù)淖儞Q。

(1)吸收規(guī)則1

若增材基本體的面形態(tài)包含減材基本體的面形態(tài)，則基本體形態(tài)融合時減材基本體形態(tài)輪廓實線化，且與增材基本體形態(tài)疊加，吸收規(guī)則1表示如下：

IF (P(j,FT,Fj,Tj,Cj)∩P(i,FT,Fi,Ti,Ci)

≠φ&M(j,-2,{Fj,Sj})∈M(i,2,{Fi,Si}))

THEN (M(i,2,{Fi,Si}),M(j,2,{Fj,Sj}))

根據(jù)吸收規(guī)則1的表示，融合后的機械結構形態(tài)元知識僅減材基本體形態(tài)元知識的類型發(fā)生改變，即融合后的機械結構形態(tài)元知識為

M(i,2,{Fi,Si}),M(j,2,{Fj,Sj})。

表1示例5表示由增材基本體和減材基本體構成的機械結構。由基本體形態(tài)構建規(guī)則可知，該結構2兩個基本體形態(tài)為面形態(tài)且存在包含關系，因此減材基本體形態(tài)輪廓實線化后如示例5的融合形態(tài)所示。減材基本體在形態(tài)融合后實線化的主要目的是說明減材基本體形態(tài)與增材基本體形態(tài)共面。由吸收規(guī)則1得到推論規(guī)則：兩個共面的封閉環(huán)所表示的基本體面形態(tài)，若內(nèi)環(huán)被外環(huán)包圍，則內(nèi)環(huán)為減材基本體，外環(huán)為增材基本體。

(2)吸收規(guī)則2

對相交的兩個增材基本體所提取的基本體形態(tài)進行融合時，若兩個基本體形態(tài)為線形態(tài)，且兩個線形態(tài)對應的端點所在的平面相交，則兩端點在其切線方向上不允許相互超出形態(tài)線，即超出形態(tài)線部分被吸收，吸收規(guī)則2表示如下：

IF(P(j,1,Fj,Tj,Cj)∩P(i,1,Fi,Ti,Ci)≠φ&F(Ei∈M(i,1(Ti,Li)i)∩F(Ej∈M(j,1(Tj,Lj))≠φ&Z(EjTo′)>0)

THEN (M(j,0,{Tj,Lj|Z(EjTo′)=max{Z(AjTo′)}})&M(i∧j,0,{EiEj|Z(EjTo′)=0}))

其中：O′為局部坐標系的原點；To′為從整體坐標系到局部坐標系的轉換矩陣；Z(EjTo′)為線形態(tài)端點Ej在局部坐標系下的Z軸坐標值；Aj為線形態(tài)端點Ej到O′之間與其他形態(tài)的交點；max{Z(AjTo′)}為線形態(tài)上交點Aj在局部坐標系下Z軸坐標的最大值；EiEj為兩個形態(tài)的關聯(lián)線形態(tài)。

步驟1確定兩個形態(tài)分別在其端點Ei和Ej

處的切向單位向量ei和ej，如圖5所示。由該單位向量可求得向量u=ej×ei。

步驟2以端點Ei為原點O′，向量ei方向為X軸正向，向量u方向為Y軸正向，構建三維笛卡爾坐標系XYZ，如圖6所示。

步驟3由空間向量知識易證向量ej與Z軸正向的夾角不大于90°可知，若線形態(tài)端點Ej超出端點Ei所在的形態(tài)，則端點Ej在局部坐標系XYZ下的Z軸坐標值必大于0。根據(jù)吸收規(guī)則2推理，將第j個形態(tài)的終點Ej變換到局部坐標系下Z坐標值最大的Aj處，關聯(lián)形態(tài)EiEj中的終點Ej變換到局部坐標系下Z坐標值為0的節(jié)點處，如圖7所示的A點。

表1示例7根據(jù)基本體形態(tài)構建規(guī)則獲得的基本體結構形態(tài)如圖8線段C′C和A′A所示。由圖8可知，相交一端的形態(tài)相互超出對方形態(tài)線，如圖8線段AB和BC所示，但兩個形態(tài)相交一端的端點所在平面相交于圖8所示的線段GH，即基本體的面在布爾運算一端均未超出對方，因此根據(jù)基本體形態(tài)融合的吸收原則2，該基本體形態(tài)融合后的機械結構形態(tài)如表1示例7所示。

由圖8可知，表1示例7所示的兩增材基本體線形態(tài)相交，且AB和BC段同側無其他形態(tài)相交，因此根據(jù)吸收規(guī)則2的表示可知，將兩形態(tài)的A點和C點均變換到交點B處。由此推理得推論規(guī)則：兩個增材基本體形態(tài)均為線形態(tài)且相交，若兩個線形態(tài)對應端點所在的平面相交，且同側無其他形態(tài)相交，則將超出兩條線形態(tài)交點的端點變換到該交點。

推論規(guī)則表示如下：

IF (M(j,1,{Tj,Lj})∩M(i,1,{Ti,Li})={A}&F(Ei∈M(i,1{Ti,Li})∩F(Ej∈M(j,1{Tj,Lj})≠φ)

THEN (M(j,0,{Tj,Lj|Ej→A}))

其中：A為兩個形態(tài)的交點；Ej→A表示線形態(tài)端點Ej由交點A代替。

根據(jù)吸收規(guī)則2的表示，融合后的機械結構形態(tài)元知識為

(M(j,0,{Tj,Lj|Z(EjTo′)=max{Z(AjTo′)}})

和M(i∧j,0,{EiEj|Z(EjTo′)=0})。

3 機械結構形態(tài)知識融合算法

機械結構根據(jù)三維軟件建模過程分解成若干基本體，通過基本體轉換模型的知識表示獲取各基本體的統(tǒng)一表達數(shù)據(jù)，并根據(jù)形態(tài)提取規(guī)則獲取基本體形態(tài)的機械結構形態(tài)元知識并進行存儲。針對各基本體形態(tài)構成的機械結構形態(tài)元知識數(shù)據(jù)，在三維軟件中構建所有基本體形態(tài)模型，最后利用三維軟件的二次開發(fā)功能開發(fā)知識融合算法，對基本體形態(tài)進行有機融合，實現(xiàn)機械結構形態(tài)的三維建模。融合算法流程如圖9所示。

4 實例

支架是機械行業(yè)常見的結構件，根據(jù)應用特點其結構復雜程度相差較大。圖10所示的支架包括18個基本體，基于PROE 5.0軟件構建該支架的模型樹如圖11a所示。本文基本體、邊、點等幾何特征編號規(guī)則如下：①根據(jù)三維軟件二次開發(fā)功能遍歷基本體，按基本體的遍歷順序進行編號；②根據(jù)基本體轉換模型的掃掠基面、掃掠導線、輪廓約束線三要素獲取的幾何信息，對每一個要素進行邊、點的遍歷，其中邊采用三要素相應的遍歷順序分別獨立編號方法，點采用三要素統(tǒng)一編號的方法。因此，支架結構首先采用Protoolkit工具包的函數(shù)ProSolidFeatVisit()遍歷所有基本體特征，并按遍歷順序對基本體進行編號，如圖11b所示；然后根據(jù)基本體的建模特征獲取每個基本體轉換模型的知識表示[18]，如基本體1、基本體2的轉換模型知識分別表示為P(1,1,F1,T1,C1)，P(2,-1,F2,T2,C2)，其中基本體轉換模型三要素Fi,Ti,Ci參數(shù)如表2和表3所示。表中EdgeType為基本體轉換模型或基本體形態(tài)的邊類型，例如該值為1表示直線、2表示圓弧、3表示圓等，且直線類型的特征點可為空；表2中點1、點2、特征點均屬于頂點，即表2中各點編號指向表3的頂點編號；表中邊編號是根據(jù)每個基本體三要素邊的遍歷順序分別獨立編號，而頂點編號是根據(jù)三要素所有點的幾何信息遍歷順序統(tǒng)一編號。

本文通過圖11b中基本體編號所對應的基本體“內(nèi)部特征ID”可以獲取每個基本體的幾何信息，并基于ProContourEdgevisit()，ProSurfaceContourvisit()等函數(shù)遍歷每個基本體轉換模型的的邊、點等幾何信息，獲得機械結構形態(tài)所需的數(shù)據(jù)，如表2和表3所示。

表2 基本體轉換模型參數(shù)(部分)

表3 基本轉換模型頂點數(shù)據(jù)(部分)

續(xù)表3

當獲取基本體轉換模型知識數(shù)據(jù)后，根據(jù)機械結構基本體形態(tài)提取規(guī)則獲取各基本體的形態(tài)模型，如圖12所示，并將機械結構形態(tài)元知識模型數(shù)據(jù)存于知識庫，部分數(shù)據(jù)如表4和表5所示。根據(jù)表4和表5的數(shù)據(jù)在三維軟件中重新構建基本體形態(tài)模型，如圖13所示，圖中數(shù)字編號對應表4的基本體形態(tài)編號，Pi編號中數(shù)字i為點的編號。

表4 機械結構形態(tài)參數(shù)(部分)

表5 機械結構形態(tài)頂點數(shù)據(jù)(部分)

續(xù)表5

針對圖13的基本體形態(tài)，根據(jù)機械結構基本體的拓撲關系，采用基本體形態(tài)融合規(guī)則對其進行融合。圖13所示的基本體形態(tài)1、基本體形態(tài)2滿足包容原則，因此融合后機械結構形態(tài)元知識為M(1,1,T1)；基本體形態(tài)7、基本體形態(tài)10相互獨立，根據(jù)關聯(lián)規(guī)則得到關聯(lián)形態(tài)M(7∧10,0,E7E10)，其中E7E10為點P23到點P31的直線；基本體形態(tài)7、基本體形態(tài)10滿足吸收原則2，因此基本體形態(tài)7必須進行變換，變換后的終點P23坐標如表5括號內(nèi)數(shù)據(jù)所示，融合后的機械結構形態(tài)元知識為M(7,0,T7)和M(7∧10,0,E7E10)，其中形態(tài)T7為點P22到新點P23的直線，E7E10為新點P23到點P31的直線；基本體形態(tài)11、基本體形態(tài)12滿足吸收原則1，因此融合后機械結構形態(tài)元知識為M(11,2,F11),M(12,2,F12)；基本體形態(tài)11、基本體形態(tài)15相交于點P34到點P35的邊，滿足疊加原則，因此融合后機械結構形態(tài)直接累加。同理，兩兩判斷圖13的所有基本體形態(tài)，逐一提取機械結構形態(tài)知識表示的元素，其形態(tài)三維模型如圖14所示。

支座實例表明，基本體形態(tài)知識庫主要用于存儲知識相關參數(shù)，以便形態(tài)融合規(guī)則的判斷和推理。在機械結構形態(tài)知識融合算法中調(diào)用三維軟件的二次開發(fā)函數(shù)進一步簡化融合規(guī)則的實現(xiàn)過程。例如，ProToolkit的間隙計算函數(shù)Pro_Compute_Clearance()可以方便地判斷圖元間的相交情況，并提取兩個圖元間最短距離的點元素。

表6所示為常用機械結構的形態(tài)融合實例，進一步驗證了本文機械結構形態(tài)知識融合算法有利于機械結構形態(tài)模型的有機集成。由表6融合前、后的機械結構形態(tài)可知，融合后的機械結構形態(tài)更加符合設計人員的認知，且便于識別三維模型檢索過程中的拓撲關系，以及比較主要幾何特征，從而提高三維模型的重用率。

表6 機械結構形態(tài)融合實例

5 結束語

機械結構形態(tài)是機械結構模型特征簡化的表達方法，其知識融合實現(xiàn)了基本體形態(tài)的有機融合，基于本體的機械結構形態(tài)知識轉換體現(xiàn)了機械結構三維模型與機械結構形態(tài)的內(nèi)在關系。本文對基本體轉換模型知識、機械結構形態(tài)元知識及機械結構形態(tài)知識的表示方法進行研究，為機械結構形態(tài)元知識融合的包容規(guī)則、疊加規(guī)則、關聯(lián)規(guī)則合吸收規(guī)則的構建提供了理論模型，并以示例說明上述規(guī)則的應用條件和結果。實例分析進一步表明機械結構形態(tài)知識表示的實用性，以及融合規(guī)則在機械結構形態(tài)模型構建過程中的可行性。本文的機械結構形態(tài)融合除了忽略有關修飾特征外，體現(xiàn)了每一個基本體的形態(tài)，后續(xù)研究可以繼續(xù)針對行業(yè)特點進一步簡化非重要模型特征，為機械原理形態(tài)研究提供更加簡練的表達模型。